单链表的优化（十三）

发布时间：2020-09-13 20:47:09 阅读：781 作者：上帝之子521 栏目：软件技术

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我们在之前实现了单链表，那么我们如何遍历单链表中的每一个数据元素呢？肯定直接一个 for 循环就可以搞定啊，我们来看看当前基于我们实现的单链表遍历的方法，main.cpp 如下

#include <iostream>
#include "LinkList.h"

using namespace std;
using namespace DTLib;

int main()
{
    LinkList<int> list;

    for(int i=0; i<5; i++)      // O(1)
    {
        list.insert(0, i);
    }

    for(int i=0; i<list.length(); i++) // O(n)
    {
        cout << list.get(i) << endl;
    }

    return 0;
}

我们来看看输出结果，看看是不是遍历呢

单链表的优化（十三）

结果是正确的，我们来分析下上面的测试代码的效率。第一个 for 循环，因为每次都是在 0 位置处插入数据元素，因此它的时间复杂度是 O(1)；而第二个 for 循环，因为它要全部循环一遍，因此它的时间复杂度为 O(n)。我们就奇怪了，明明同样是两个 for 循环，效率竟然不相同。不能以线性的时间复杂度完成单链表的遍历，那么此时新的需求就产生了：为单链表提供新的方法，在线性时间内完成遍历。

下来说说设计思路，利用游标的思想：

1、在单链表的内部定义一个游标（Node* m_current）；

2、遍历开始前将游标指向位置为 0 的数据元素；

3、获取游标指向的数据元素；

4、通过结点中的 next 指针移动游标。

提供一组遍历相关的函数，以线性的时间复杂度完成遍历链表，如下

单链表的优化（十三）

遍历函数原型设计如下：

bool move(int i, int step = 1);

bool end();

T current();

bool next();

下来我们来看看优化后的 LinkList.h 是怎样的，如下

LinkList.h 源码

#ifndef LINKLIST_H
#define LINKLIST_H

#include "List.h"
#include "Exception.h"

namespace DTLib
{

template < typename T >
class LinkList : public List<T>
{
protected:
    struct Node : public Object
    {
        T value;
        Node* next;
    };

    mutable struct : public Object
    {
        char reserved[sizeof(T)];
        Node* next;
    } m_header;

    int m_length;
    int m_step;
    Node* m_current;

    Node* position(int i) const
    {
        Node* ret = reinterpret_cast<Node*>(&m_header);

        for(int p=0; p<i; p++)
        {
            ret = ret->next;
        }

        return ret;
    }
public:
    LinkList()
    {
        m_header.next = NULL;
        m_length = 0;
        m_step = 1;
        m_current = NULL;
    }
    bool insert(const T& e)
    {
        return insert(m_length, e);
    }

    bool insert(int i, const T& e)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i <= m_length));

        if( ret )
        {
            Node* node = new Node();

            if( node != NULL )
            {
                Node* current = position(i);

                node->value = e;
                node->next = current->next;
                current->next = node;

                m_length++;
            }
            else
            {
                THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to insert new element ...");
            }
        }
    }

    bool remove(int i)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            Node* current = position(i);
            Node* toDel = current->next;

            current->next = toDel->next;

            delete toDel;

            m_length--;
        }

        return ret;
    }

    bool set(int i, const T& e)
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            position(i)->next->value = e;
        }

        return ret;
    }

    T get(int i) const
    {
        T ret;

        if( get(i, ret) )
        {
            return ret;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(IndexOutOfBoundsException, "Invaild parameter i to get element ...");
        }
    }

    bool get(int i, T& e) const
    {
        bool ret = ((0 <= i) && (i < m_length));

        if( ret )
        {
            e = position(i)->next->value;
        }

        return ret;
    }

    int find(const T& e) const
    {
        int ret = -1;
        int i = 0;
        Node* node = m_header.next;

        while( node )
        {
            if( node->value == e )
            {
                ret = i;
                break;
            }
            else
            {
                node = node->next;
                i++;
            }
        }

        return ret;
    }

    int length() const
    {
        return m_length;
    }

    void clear()
    {
        while( m_header.next )
        {
            Node* toDel = m_header.next;

            m_header.next = toDel->next;

            delete toDel;
        }

        m_length = 0;
    }

    bool move(int i, int step = 1)
    {
        bool ret = (0 <= i) && (i < m_length) && (step > 0);

        if( ret )
        {
            m_current = position(i)->next;
            m_step = step;
        }

        return ret;
    }

    bool end()
    {
        return (m_current == NULL);
    }

    T current()
    {
        if( !end() )
        {
            return m_current->value;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(INvalidOPerationException, "No value at current position ...");
        }
    }

    bool next()
    {
        int i = 0;

        while( (i < m_step) && !end() )
        {
            m_current = m_current->next;
            i++;
        }

        return (i == m_step);
    }

    ~LinkList()
    {
        clear();
    }
};

}

#endif // LINKLIST_H

main.cpp 源码

#include <iostream>
#include "LinkList.h"

using namespace std;
using namespace DTLib;

int main()
{
    LinkList<int> list;

    for(int i=0; i<5; i++)      // O(1)
    {
        list.insert(0, i);
    }

    for(list.move(0); !list.end(); list.next()) // O(1)
    {
        cout << list.current() << endl;
    }

    return 0;
}

我们来看看编译结果

单链表的优化（十三）

我们看到结果还是正确的，证明我们上面代码的编写是没有错误的。我们再来分析下，它每次移动，移动后 current 指针就停在那块，等到下次移动的时候还是从这块开始移动。也就是说，每次遍历的时候，它只需要遍历一次就可以输出结果了，这样的话它遍历的时间复杂度就为 O(1) 了。我们再来将 new 和 delete 操作封装下，方便后面的使用，具体封装如下

virtual Node* create()    
{
    return new Node();
}

virtual void destroy (Node* pn)
{
    delete pn;
}

然后将下面的 new 和 delete 操作全部换成 create 和 destory 函数。我们来试下将 main.cpp 测试代码中移动的 step 改为 2，那么它便输出的是偶数了。我们来看看结果

单链表的优化（十三）

确实是输出的只有偶数。那么我们移动的 step 为 10 呢？那它就应该只输出 4 了，我们再来看看结果单链表的优化（十三）

现在我们的 LinkList 类已经近乎完美了，优化后的效率遍历的时候极大的提高了。通过今天对 LinkList 优化的学习，总结如下：1、单链表的遍历需要在线性时间内完成；2、在单链表内部定义游标变量，通过游标变量提高效率；3、遍历相关的成员函数是相互依赖，相互配合的关系；4、封装结点的申请和删除操作更有利于增强扩展性。

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单链表的优化（十三）

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